3D打印非磁性粉末可賦予材料梯度磁性能

導讀：南極熊了解到，來自斯科爾科夫理工學院的科學家和他們的同事采用定向能量沉積的3D打印方法將兩種材料融合在一種合金中，這種合金的成分在樣品的一個區(qū)域和另一個區(qū)域之間不斷變化，從而賦予合金以梯度磁特性。盡管組成材料具有非磁性，但這種合金卻表現(xiàn)出了磁性，這項發(fā)表在《材料加工技術(shù)》雜志上的研究還為這一現(xiàn)象提供了一個理論解釋。

△研究中使用的3D打印機。資料來源：Oleg Dubinin等人《Journal of Materials Processing Technology》雜志

3D打印曾經(jīng)被認為只是一種用于快速成型的新奇工具，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為一種全面的工業(yè)技術(shù)，用于生產(chǎn)飛機零件、與病人匹配的植入物和假肢、珠寶和定制鞋，以及其他東西。

3D打印的主要優(yōu)勢是能夠生產(chǎn)具有非常復雜形狀的物體，這些物體用傳統(tǒng)的制造技術(shù)，如鑄造、軋制和沖壓，是不可能或太昂貴的。該技術(shù)還能使原型設計更快、風險更大，并在產(chǎn)品定制和生產(chǎn)數(shù)量方面具有更大的靈活性，還有一個額外的好處是減少浪費。

3D打印的局限性之一是，它傾向于在生產(chǎn)的整個項目中使用一種同質(zhì)材料或混合物。然而當改變物件的一部分和另一部分的成分后，它可以被賦予持續(xù)變化的特性。

這方面的一個例子是由兩種金屬組成的合金棒，其比例從100%的金屬A到一半，再到100%的金屬B，依次變化。只要有關(guān)金屬混合良好，不產(chǎn)生缺陷，桿的梯度特性（包括磁性特性）在技術(shù)上可能是有用的，例如，用于電機轉(zhuǎn)子、磁性編碼器的帶子或變壓器。

最近由Skoltech領導的一項研究的作者在《材料加工技術(shù)》雜志上報告了一項實驗，他們制造了這樣一種合金。它的兩個組成部分——上述金屬A和B本身就是合金：鋁青銅（銅、鋁和鐵）和海洋級不銹鋼（主要是鐵、鉻和鎳）。兩者在技術(shù)上都被稱為順磁性，或者用通俗的話說是 "非磁性"，也就是說，它們不會粘在磁鐵上。然而，當它們以相同的比例混合時，所產(chǎn)生的合金變成了一種 "軟"鐵磁體。也就是說，它被 "硬"的鐵磁體所吸引，就像冰箱上的那個鐵磁體，但它本身并不成為一個鐵磁體。

這項研究的主要作者，來自Skoltech公司增材制造實驗室的Oleg Dubinin說："我們使用這兩種順磁材料，用InssTek MX-1000 3D打印機制造了一種梯度合金。它采用了一種叫做定向能量沉積的技術(shù)，即從一個噴嘴沉積粉末狀材料，同時用激光將其熔化。由此產(chǎn)生的合金表現(xiàn)出鐵磁特性，其程度取決于兩種組成材料之間的比例。

該研究人員還表示："我們的研究還從理論上解釋了合金原子結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的鐵磁性能，雖然這兩種初始材料具有所謂的面心立方晶體結(jié)構(gòu)，但它們的結(jié)合導致了體心立方結(jié)構(gòu)�！�

在前者中，金屬原子位于假想立方體的四角和其表面。在后者中，有金屬原子在看不見的立方體的中心，而不是在其表面。這第二種排列方式使材料具有鐵磁特性。

斯科爾技術(shù)公司的主要研究科學家Stanislav Evlashin博士評論說："梯度軟磁合金可以在機器工程中找到應用，例如在電動機中。我們的研究結(jié)果表明，定向能量沉積不僅是一種3D打印梯度材料的方法，也是一種發(fā)現(xiàn)新合金的方法。除此之外，該技術(shù)效率很高，甚至適合快速制造大尺寸零件�！�